Læknablaðið - 01.10.2015, Page 25

LÆKNAblaðið 2015/101 465
Y F I R L I T S G R E I N
Tilbrigði við fjölhæfi: hæfnissvið kímfrumusérhæfingar
Forsendur þess að unnt var að sérhæfa frumkímfrumur manna
í rækt var það innsæi sem fengist hefur á rannsóknum á eigin-
leikum fjölhæfra fruma í fósturvísum músa og mismunandi stofn-
fruma sem hafa verið ræktaðar úr þeim. Hér verður þessi innsýn
í fjölhæfiseiginleika þessara mismunandi fruma útskýrð nánar.
Í fósturþroska er fjölhæfi skammvinnt ástand sem fylgir í kjöl-
farið á alhæfi okfrumunnar. Rannsóknir á mynstrum genatján-
ingar fjölhæfra fruma hafa leitt í ljós að mörg mismunandi stig
fjölhæfis eru til og virðist fjölhæfið rúma samfellu af mismunandi
genatjáningu.38,39
Okfruman hefur hæfi til þess að sérhæfast í allar frumugerðir
lífverunnar, hvort sem um er að ræða líkamsfrumur, kímfrumur
eða utanfósturvefi þá er mynda fylgjuna og aðra stoðvefi fósturs-
ins og telst hún því vera alhæf. Við fyrstu frumusérhæfingu fóst-
urþroskans verða til tvennskonar frumur, innri frumumassinn og
næringarhýði. Innri frumumassinn er þyrping fjölhæfra fruma
sem hafa hæfileika til þess að þroskast yfir í öll fósturlögin og eru
hinar eiginlegu forverafrumur allra líkamsvefja auk kímlínunnar.
Næringarhýðið leggur hins vegar engar frumur af mörkum til
sjálfs fóstursins en umlykur innri frumumassann og styður hann
og þroskast í utanfóstursvefi.
Við bólfestu fóstursins skiptist innri frumumassinn í kímþekju
(primitive ectoderm/epiblast) og innlagskím (hypoblast) og í sömu
andrá nær kímþekjan svokölluðu grunnástandsfjölhæfi sem ein-
kennist af tjáningu á fjölhæfisumritunarþættinum NANOG ásamt
OCT4, SOX2 og PRDM14, ásamt því að báðir X-litningar kvenkyns
fóstra eru virkir. Við bólfestu fósturvísisins þróast fjölhæfi kím-
þekjunnar yfir í kímlagsvakið fjölhæfi sem er mjög skamm-
vinnt ástand þar sem frumurnar bera enn þann eiginleika að geta
þroskast í hvaða fósturlag sem er og byrja að þokast í átt að frekari
þroska.40 Á þessu stigi öðlast frumur hæfileikann til sérhæfingar
frumkímfruma, en á fyrri stigum fjölhæfis virðist þær skorta þann
eiginleika.16,26
Stofnfrumur úr fósturvísum bæði manna og músa verða til
þegar fósturvísir á kímblöðrustigi fyrir bólfestu fósturvísisins
er settur í rækt. Munurinn á stofnfrumum úr fósturvísum músa
og manna er þó sá að stofnfrumur músa líkjast frumum í grunn-
ástandi fjölhæfis en mannafrumum svipar til kímlagsvakins fjöl-
hæfisástands.39 Stofnfrumur fósturvísa músa svara boðefninu LIF
til viðhalds fjölhæfisins og stofnfrumur fósturvísa manna svara
þáttunum FGF og Activin.
Vegna þess að stofnfrumur úr fósturvísum músa tjá fjölhæfis-
þættina OCT4, SOX2 og NANOG, en vantar kímlínuþættina
BLIMP1 og AP2γ, var talið að þvinguð tjáning þeirra síðarnefndu í
stofnfrumum myndi ræsa kímlínusérhæfingu þeirra. Þá kom í ljós
að frumurnar þoldu ekki tjáningu á BLIMP1 og dóu.34,35 Frumurnar
svöruðu heldur ekki BMP-boðefnum með frumkímfrumusérhæf-
ingu. Hæfnisástand forvera frumkímfruma var því enn ófundið.
Lykillinn reyndist vera að ná fram eiginleikum kímlagsvakins
fjölhæfis í stofnfrumum úr fósturvísum músa með tímabundinni
rækt í FGF og Activin og líkja þannig eftir fósturþroskanum. Eftir
það svöruðu músafrumurnar BMP4 annars vegar eða tjáningu á
BLIMP1, AP2γ og PRDM14 hins vegar með frumkímfrumusérhæf-
ingu.16,34,35 Með því að bæta boðefnunum LIF, Epidermal growth
factor (EGF), Stem cell factor (SCF) og BMP8b fékkst skilvirk sér-
hæfing þar sem yfir 70% frumanna urðu að kímfrumum og há-
mörkun varð á afkomu frumanna17.
Þessar rannsóknir á músum juku bjartsýni á að unnt yrði að
ná fram skilvirkri þroskun mannakímfruma í rækt með sömu
boðefnum og umritunarþáttum. Það var þó ekki eins auðsótt og
búist var við í fyrstu. Helsta ljónið í veginum var munurinn á sam-
eindafræðilegu eðli fjölhæfis stofnfruma úr fósturvísum músa og
manna.
Þótt stofnfrumum fósturvísa manna svipi mjög til forvera-
fruma frumkímfruma (mynd 1) svara þær ekki BMP4 eða tjáningu
umritunarþáttanna þriggja á sama hátt og músafrumurnar. Við
ræktun í BMP4 sérhæfast þær þó í frumkímfrumur, en á mjög
óskilvirkan hátt, þar sem innan við 1% frumanna sérhæfast. Þetta
gefur til kynna að aðeins hluti frumanna sé inni á hæfnissviði
sérhæfingar í frumkímfrumur.
Við sérhæfingu kímfruma músa var mikilvægt að rækta stofn-
frumurnar í blöndu boðefnahindra sem kölluð er 2i „2 inhibitors“
til þess að tryggja einsleitni ræktanna og staðsetningu þeirra í
grunnástandsfjölhæfi áður en kímlagsvakið fjölhæfi var framkall-
að.16,40 Þar sem grunnástandsfjölhæfi stofnfruma úr fósturvísum
manna hafði fram að þessu aðeins verið þvingað með tjáningu
umritunarþátta var ekki mögulegt að beita sömu aðferð fyrr en
nokkru síðar þegar aðferð til framköllunar grunnástandsfjölhæfis
í stofnfrumum úr fósturvísum manna var þróuð41–43.
Tímamót urðu í sérhæfingu frumkímfruma manna í rækt
þegar unnt varð að framkalla kímlagsvakið fjölhæfi með ræktun
grunnástandsfjölhæfra stofnfruma úr fósturvísum manna í FGF
og Activin í tvo daga og gera þær þannig „kímþekjulíkar“ (Epi-
blast like cells –EpiLCs).3 Eftir þá meðferð svöruðu frumurnar á
skilvirkan hátt boðefnunum BMP2 og BMP4 með því að mynda
frumkímfrumur í rækt. Fyrsti björninn var unninn, því kerfis-
bundin og skilvirk sérhæfing frumkímfruma manna hafði tekist.
Aðrir vísindamenn hafa síðan náð að þroska forvera miðlags úr
hefðbundnum ræktum fósturvísafruma og tekist að ræsa frum-
kímfrumusérhæfingu eftir það4,5. Jafnframt tókst að meðhöndla
iPS-frumur manna á sama hátt og kalla fram sérhæfingu þeirra
í frumkímfrumur.
Nýting frumkímfrumurækta til rannsókna á sjúkdómum
Brýn þörf er á að auka þekkingu okkar á þroska kynfruma. Rækt-
unarkerfi fyrir kímfrumur þar sem mögulegt er að hafa stjórn á öll-
um skrefum þroskaferilsins, frá sérhæfingu frumanna þar til þær
fara í gegnum meiósu og kynfrumumyndun, myndi opna mögu-
leika á því að svara rannsóknarspurningum sem snúa að mörgum
eiginleikum kynkerfisins. Til dæmis myndi slíkt kerfi auðvelda
til muna rannsóknir á ferlum kynákvörðunar, kynfrumuþrosk-
unar og svo tilurð kímfrumukrabbameina og furðuæxla.44,45 Við
rannsóknir á ófrjósemi yrði hægt að meðhöndla frumurnar í rækt,
annað hvort með lyfjum eða gera erfðabreytingar á frumunum og
skoða áhrif meðferðarinnar á þroskun frumanna í rækt. Þannig
væri til dæmis mögulegt að skima fyrir efnum sem örva síðari
stig kynfrumuþroska og líklegt væri að hefðu áhrif á frjósemi á
fullorðinsárum. Einnig yrði mögulegt að gera erfðaskimanir fyrir
þáttum sem hafa áhrif á kynfrumuþroskun.2